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        光纤激光器原理及其关键技术

        浏览次数: 日期:2013年9月5日 14:20

        光纤激光器原理及其关键技术

        自从光纤激光器问世后,高功率光纤激光器成为激光领域最为活跃的研究方向之一。随着新型泵浦技术的采用和大功率半导体激光器制造工业的进一步发展成熟,光纤激光器得到了飞速发展。与传统的固体激光器相比,高功率光纤激光器具有结构简单、阈值低、散热性能好、转换效率高、光束质量好等优点。目前,受到广大科研工作和产业界专家们的极大关注。

          1、基本原理

          光纤激光的基本结构如图1所示。光纤激光器可以用光纤光栅来作为腔镜,从而实现全光纤结构。泵浦光从左边腔镜耦合进入增益光纤,泵浦光在包层内多次反射穿过掺杂纤芯,光纤具有足够的长度和掺杂离子的浓度等参数选择恰当,这样掺杂离子就能充分吸收泵浦光了。光纤激光器是一个波导型的谐振腔装置,光波的传输由光纤所担负,这种结构实际上就是Fabry-Perot谐振腔结构。光纤激光器实际上是一个波长转换器。在泵浦波长上光子被介质吸收,形成粒子数反转,最后在掺杂光纤介质中产生受激发射和输出激光。

          图1 光纤激光器基本结构示意图

          2、分类

          按增益介质的不同,光纤激光器可以分为掺杂光纤激光器和受激散射光纤激光器两大类。掺杂激光器的增益介质主要是稀土光纤,激光产生机制是受激辐射。受激散射光纤激光器的发光机制是非线性效应,主要是受激拉曼散射和受激布里渊散射。

        按激光腔结构的不同,可以分为线形腔、环形腔等。用光纤光栅代替腔镜,线形腔又分为布反馈(DFBDistributed-Feedback)和分布布格反射(DBRDistributed Bragg Reflector)之分。线形腔光纤激光器结构简单能实现高功率和单纵模输出,二环形腔光纤激光器结构元件较为复杂,通常是多纵模输出。

          按激光输出的时域特性,又可分为连续激光器和脉冲激光器。脉冲光纤激光器通常采用调Q和锁模技术实现,锁模技术分主动锁模和被动锁模两种。

          稀土离子是目前商用及研究最为广泛的一类光纤激光器的核心,它决定着对光泵浦的吸收和激射光谱,稀土元素在化学元素周期表中称为镧系元素,这一类元素有着相同的外层电子结构,从而决定他们有着几乎共同的光学特性,稀土元素通常以三价态形式发生离化。前人们对各种稀土元素掺入光纤芯中的研究都有报道,如铒(Er)、铷(Nd)、铥(Tm)、镱(Yb)、镝(Dy)、镨(Pr)等。

          在光纤通信领域,最有吸引力的是Er离子,因其发射光谱在1550nm波长的效率高,而且对应光纤通信的最低损耗窗口。在Er/Yb共掺离子双包层光纤激光器中,Yb作为Er的敏化剂吸收泵浦能量传递给Er离子。Nd离子掺杂的光纤激光器输出波长为1060nm,在激光加工,空间光通信领域有着重要的应用。而且其最佳吸收波长在808nm附近,这正是大功率半导体激光器的输出波长,Yb离子具有更加简单的能级结构,并且具有相当宽的吸收带(800nm--1000nm)以及相当宽的激发带(970nm--1200),最佳吸收位于915nm9758nm的半导体激光器输出波长,而且没有受激态吸收。TmHo离子发射波长在1.9μm--2.1μm,吸收带位于790nm,主要应用医疗上,其它如3μm发射的Er/Pr共掺和3.9μm发射的Ho离子光纤激光器可以应用在大气通信,光谱检测等领域。表1中列出了集中重要的稀土离子掺杂光纤激光器的吸收和发射特性。

        1 常见稀土掺杂激光器的特性

        掺杂离子

        基质材料

        泵浦波长

        激射波长

        应用领域

        Er/Pr

        氧化物玻璃

        915nm

        2.7μm

        激光医疗

        Er(/Yb)

        石英玻璃

        915nm

        1.565μm

        光通信,光放大器

        Yb

        石英玻璃

        915nm

        1.120μm

        泵浦源,材料处理,激光雷达,

        测距

        975 nm

        1.060μm

        915nm

        1.060μm

        Nd

        石英玻璃

        808 nm

        1.088μm

        Tm/Ho

        氧化物玻璃

        815 nm

        1.060μm

        803 nm

        2.056μm

        激光手术,军事,遥感,光谱分析

        Tm

        石英玻璃

        790 nm

        1.98μm

        3、光纤激光器的优点

          与传统的气体激光器和固体激光器相比,以掺杂光纤为工作介质的光纤激光器具有以下优点:

          ①增益介质的表面积/体积比大

          光纤激光器采用光纤做增益介质,具有很大的表面积/体积比,这使其具有非常好的散热性能,因此,即使非常高功率的光纤激光器,增益介质也不会受到热损害,一般无需对增益介质采取特别的散热措施,而其他种类的激光器,增益介质的散热问题是需要重点考虑的,因此,该特点是光纤激光器多独有的。

          ②优异的双波导限制机制

          高功率全光纤激光器采用双包层有源光纤,这种双层光纤是一种双波导结构,高功率的多模泵浦光被限制在直径较大的内包层中传输,为采用高功率廉价的多模泵浦光提供了条件,信号激光在直径很小的具有圆对称波导结构的纤芯中产生和传输,在小芯径纤芯波导的限制下,信号激光可获得理想的光束质量和极小的出光光斑直径,这是全光纤激光器独具吸引力的重要特点,在高功率激光器中,目前还没有一种激光器能够超越。优异的光束质量和极小的出光光斑直径在激光应用中具有非常重要的意义,可使后续应用设备的光学系统更简单,体积更小,工作距离更长,激光聚焦光斑更小,工作效率更高,加工深度更深,加工质量更好等等。

          ③固有的全封闭柔性光路

          全光纤激光器的光路全部由光纤和光纤元件构成,光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接,整个光路完全封闭在光纤波导中。这种天然的全封闭性光路一旦形成,无需另加隔离措施即可自成体系,实现与外界环境的隔离。由于光纤细小并具有很好的柔性,光路可盘绕和沿细小的管道穿行,因此,全光纤激光器能够在比较恶劣的环境下工作,输出光可穿过狭小的缝隙或沿细小的管道进行远距离传输。这些特点在工业应用中优势巨大,激光不但能适应比较恶劣的工作环境,而且可以使激光器原理出光点,可将激光引入到以前很难到达的地方,可非常容易移动和改变出光点,实现加工点公用一台激光器,可使激光加工设备的设计具有更高的灵活性等等。

          ④光路具有免维护性

          如前所述,全光纤激光器的关谷全部由光纤和光纤元件构成,光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接,因此,光路一旦完成,即形成一个整体,实践证明,这样形成的链接结构和连接参数将长期保持稳定,如果光纤和光纤元件本身能有长期稳定性,整个光路将长期稳定,无需维护。需要特别指出的是,这种免维护的特性并非不可维护和维修,在需要的情况下,整个光路的维护和维修同样可以进行,因此,与气体和固体激光器需要频繁的维护维修相比,全光纤激光器光路的免维护特性异常优异,而与半导体激光器的不可维修性相比,全光纤激光器的可维护性和可维修性表现出明显的优势。

        ⑤寿命长

          全光纤激光器的光路具有长期稳定性,因此,需要与之匹配的长寿命泵浦激光器才能获得整机的长寿命。发展低价格的长寿命多模泵浦激光器使发展长寿命光纤激光器的重点。单条宽发光区多模泵浦激光器就是这样一种长寿命半导体泵浦激光器,其条宽一般取100mm,基本上已经接近105/125多模光纤的纤芯直径,其有源区条宽是列阵半导体激光器的几十倍,对单一发光条来说,同样输出功率和同样注入电流情况下,其光功率密度和电流密度将降低几十倍,有源区温度也会有所降低,在忽略其他因素的前提下,单条宽发光区半导体泵浦激光器降低失效率的作用是异常显著的。目前尾纤输出功率大于5W的单条宽发光区半导体泵浦激光器的平均无故障工作时间已经达到50万小时以上。采用单条宽发光区半导体泵浦激光器作为光线激光器的泵浦源,全光纤激光器将具备长寿命的特点,因此,制作具有几十万小时得长寿命光纤激光器在技术上已经可行。

          ⑥体积小重量轻

          全光纤激光器由于光路可盘绕,光路占用空间较小,在采用单条宽发光区半导体泵浦激光器做泵浦源的情况下,泵浦激光器可分散安装,具有很好的散热特性,在安装密度不高的情况下,采用冷即可,在安装密度较高的情况下,只需少量通水即可满足散热要求,因此,全光纤激光器的体积比同样输出功率的气体和固体激光器系统更小,重量更轻。下表2列出了大功率掺Yb光纤激光器与传统固体激光器的性能参数比较。

        2 大功率掺Yb光纤激光器与传统固体激光器性能参数比较

         

        CO2激光器

        灯泵浦YAG激光器

        半导体泵浦YAG激光器

        Yb双包层光纤激光器

        波长/μm

        1.06

        1.06

        1.06

        1-1.2

        电光率/%

        5-10

        1-3

        5-10

        12-20

        功率/KW

        1-50

        0.5-5

        0.5-10

        0-50

        光束参数/mm·mrad

        >100

        50-80

        25-50

        1-20

        石英光纤传输

        维修周期

        1-2

        <1

        3-5

        40-50

        4、光纤激光器的关键技术

          ①特种光纤技术

          全光纤激光器需要使用双包层有源光纤、双包层光敏光纤、能量传输光纤等多种特种光纤,随着输出功率的不断提高,对特种光纤的技术要求也越来越高,因此,特种光纤的发展将在光纤激光器的发展中扮演重要的角色。以光子晶体光纤为代表的新一代特种光纤会在光纤激光器的发展中逐步得到应用。特种光纤的发展,将使有源光纤的增益更高、承受的功率密度更大、对泵浦光的吸收更有效;将使光栅的制作更容易、光栅的稳定性更好、使光栅在光纤激光器中的用途更广泛;将使能量传输光纤能够传输更高的功率,能够将高功率激光传送更远的距离,能够传输的波长范围不断拓展;将使泵浦耦合更加容易实现,能承受的泵浦功率更高,损耗更小。

          ②包层泵浦耦合技术

          全光纤激光器的包层泵浦耦合技术对决定光纤激光器性能和水平具有不可估量的作用。用于大功率全光纤激光器的光纤泵浦耦合器件和光纤功率合成器件,均在很高的功率条件下使用,其耦合必须很高,损耗必须很小,承受的功率必须很大,并且,输入光的路数还需要尽可能的多。在如此众多的极限条件要求下,制作优质的泵浦耦合器件和功率合成器件具有很高的难度,不过,实现的方式也多种多样,这是一项富有挑战性的技术。从大功率光纤激光器的发展趋势来看,还要求泵浦耦合器件在将泵浦光耦合到内包层的同时,尽量不影响和损害双包层光纤的纤芯,因此只有这样才能在不影响信号激光的产生和传输的情况下实现级联泵浦,实现超大功率的输出。发展对纤芯影响最小的泵浦耦合技术室泵浦耦合器件的发展方向。对于光线功率合成器件,所追求的目标就是不断提高合成的光功率。

          ③光纤光栅技术

          光纤光栅在全光纤激光器中,目前的作用是反射纤芯的信号激光器形成谐振腔,不过,随着光纤激光器技术的进一步发展,光纤光栅激光器中会有新的用途,从而对光纤光栅的制作技术提出新的挑战,其中值得关注的方向之一,是在大芯径多模光纤上制作高质量的光纤光栅。

        ④半导体泵浦激光器技术

          半导体泵浦激光器使光纤激光器的关键器件,对光纤激光器的可靠性、寿命和制作成本等影响至关重要,发展单条宽发光区长寿命半导体泵浦激光器已经成为光纤激光器用半导体泵浦激光器的一种趋势,不断提高单个激光器的输出功率、不断降低成本和进一步提高可靠性是重点,其中改进和创新封装结构应该是核心工作,因为目前封装成本所占比重还很高。

          ⑤光纤激光器整机技术

          全光纤激光器的整机设计和制作所设计的知识、内容、技术、工艺、经验较多,是全光纤激光器设计和制作最核心、最关键的技术,尤其在新型大功率全光纤激光器的发展历史还相当短暂的今天,还有大量开创性的工作需要进行。进行全光纤激光器的整机设计和制作,不但需要面向应用进行合理设计,而且肩负着整机结构和方案的改进创新重任。目前在世界范围内,进行光纤激光器整机设计和制作的厂家均在创新上有大量的投入。

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          半导激光器体泵浦光纤激光器使的关键器件,对光纤激光器的可靠性、寿命和制作成本等影响至关重要,发展单条宽发光区长寿命半导体泵浦激光器已经成为光纤激光器用半导体泵浦激光器的一种趋势,不断提高单个激光器的输出功率、不断降低成本和进一步提高可靠性是重点,其中改进和创新封装结构应该是核心工作,因为目前封装成本所占比重还很高。

          光纤激光器整机技术

          全光纤激光器的整机设计和制作所设计的知识、内容、技术、工艺、经验较多,是全光纤激光器设计和制作最核心、最关键的技术,尤其在新型大功率全光纤激光器的发展历史还相当短暂的今天,还有大量开创性的工作需要进行。进行全光纤激光器的整机设计和制作,不但需要面向应用进行合理设计,而且肩负着整机结构和方案的改进创新重任。目前在世界范围内,进行光纤激光器整机设计和制作的厂家均在创新上有大量的投入。

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